CN101995181B - 固态碱金属工质的定量充装设备与充装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固态碱金属工质的定量充装设备，包括主管、分支管、密封法兰、存储罐、第一超高真空密封阀、第二超高真空密封阀、抽气装置、调节阀、进气管、排气管以及用于将所要充装的固态工质安放到存储罐内的透明室；其中，进气管连通到安装有调节阀的排气管上，排气管经由第一超高真空密封阀连接到主管的一端，主管的另一端通过第二超高真空密封阀连接到超高真空分子泵机组；主管侧面开孔以与分支管的一端密封连通，分支管的另一端经由密封法兰连通到存储罐的顶部，存储罐的底部与待充装工质的高温热管连通；透明室包括带有法兰接孔的透明上盖，带有热管进出孔的透明下盖以及透明室主体，在透明室主体的侧面开有手套进出孔和通气孔。

Description

固态碱金属工质的定量充装设备与充装方法

技术领域

本发明涉及传热领域，特别涉及对热管中固态碱金属工质的定量充装设备与充装方法。

背景技术

热管是20世纪60年代美国科学家G.M.Grover发明的高性能传热元件，它一般由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部充装有传热用的工质，当热管的蒸发端(与热源接触的一端)从热源吸收热量后，工质吸热汽化，并在压力差的作用下传送到热管的冷凝端(与冷源接触的一端)，工质在冷凝端与冷源进行热量交换后回流到蒸发端。如此循环往复，实现热量的快速传递。热管性能的好坏与所述工质的充装过程有很大关系。工质的充装过程应该保证：热管在充装前应当具有足够高的真空度；能够控制充入工质的量；充入的工质具有较高的纯度，氧化物等杂质的含量很小；封口能够保证密封等。

高温热管一般指工作温度大于500℃的热管。高温热管中的工质多采用碱金属，例如锂、钠、钾或钾钠合金等。采用碱金属作为工质的热管具有许多优点，如碱金属能够工作在高温下、汽化潜热高、高温下的稳定性好、饱和蒸汽压低、导热性好等。在将碱金属充装到高温热管中时，由于碱金属在常温下多为固态，且在空气中容易快速氧化，因此在整个充装过程中应当与空气隔离，从而保证充装到热管中的碱金属为单质状态，而非氧化物。以碱金属中最为常见的钠为例，现有技术中将金属钠充装到热管中时采用蒸馏灌钠工艺，即在充装前用蒸馏的办法对钠作提纯，然后将蒸馏提纯后的钠注入热管内。该方法在蒸馏过程中一般采用动真空法，即在整个充钠过程中系统一直在抽真空，防止在蒸馏时钠被可能漏入的微量空气氧化，以保证钠的充装纯度。

在参考文献1“马同泽，侯增祺，吴文銧，《热管》，科学出版社，ISBN7-03-002011-1，1991，277-282”中对热管的蒸馏充钠设备以及相关方法做了详细说明。图1是该文献中所采用的蒸馏充钠设备的结构图，在该设备中，安装有液面探针111的钠罐101通过钠阀102、U形管103连接到蒸馏罐104，蒸馏罐104再通过冷凝管105、三通106、排气管107与热管108相连，热管108还同时经由排气管107、三通106连接到冷阱109，冷阱109经由输液管连接到真空机组110。利用这一设备向热管中充装金属钠的过程总体上可分为两步：第一步把预定数量的钠从钠罐注入蒸馏罐，第二步把钠蒸馏并注入热管中。具体操作步骤如下：

步骤1、起动真空机组110，对包括热管108在内的整个设备抽真空，使其达到10^-4Pa的真空度。

步骤2、用电加热器对热管108进行烘烤，将热管108在室温下因暴露在空气中而重新吸附的气体除去。烘烤温度为200℃，在此温度下，表面吸附的气体可以完全排净。待真空度完全回升到原来数值左右即可停止烘烤。

步骤3、加热钠罐101、蒸馏罐104以及它们之间的管路103和钠阀102。这一步可提前开始，使得热管烘烤完毕后这部分设备正好加热到所需的温度。一般加热到150℃即可，这时钠罐101内的钠应已经全部融化。

步骤4、根据所需的灌钠量调整好液面探针111的位置；在钠面上用氩气加压，注意两边压差不能太大，只需0.2大气压就可以；开启钠阀102，根据液面探计111的指示把一定数量的钠注入蒸馏罐104中。注意不要少于设计值或过量，因为蒸馏时无法再进行计量。关钠阀102后停止这部分系统的加热。为了防止钠阀102关闭不严导致过量钠漏入蒸馏罐，在钠阀102后装有U形管103，必要时可用水冷却U形管103，使里面的钠凝固。

步骤5、蒸馏充装，先把蒸馏罐104到热管108的设备加热到一定的温度，要求设备内各处有不同的温度，在冷凝管出口处的温度必须控制在150～200℃之间，温度太高会使钠蒸汽没有完全冷凝而被抽至真空机组内，温度太低则液体钠的流动性不好，会在热管的细排气管处堵塞；基于同一理由，三通106的接头、热管108特别是它的排气管，必须加热到200℃左右。在这几个达到预定温度后，即把蒸馏罐104加热到480～500℃，并维持在恒定温度下进行蒸馏，注意监视各处温度变化情况，直至钠全部蒸干(此时蒸馏罐温度上升)，即停上加热蒸馏罐104。

步骤6、蒸馏后设备需保温一个小时，并继续抽真空，同时敲击这部分管路使可能挂在管壁上的钠落下。

步骤7、停止热管和设备所有部分的加热，待冷却后用冷焊钳进行冷焊封接。

从上述说明可以看出，现有技术在热管中充装如钠等碱金属时工艺复杂，耗时、耗水量大，一般一次只能实现一根热管的灌装，而且后处理工艺十分复杂，管路中的碱金属残留难以清理，因此，这种充装方法的效率很低，在充装过程中的浪费过大。

发明内容

本发明的目的是克服现有的定量充装设备充装效率低的缺陷，从而提供一种高效的定量充装设备和方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种固态碱金属工质的定量充装设备，其特征在于，包括主管、分支管、密封法兰、存储罐、第一超高真空密封阀、第二超高真空密封阀、抽气装置、调节阀、进气管、排气管以及用于将所要充装的固态工质安放到所述存储罐内的透明室；其中，

所述进气管连通到安装有所述调节阀的排气管上，所述排气管经由所述第一超高真空密封阀连接到所述主管的一端，所述主管的另一端通过所述第二超高真空密封阀连接到所述超高真空分子泵机组；所述主管侧面开孔以与所述分支管的一端密封连通，所述分支管的另一端经由所述密封法兰连通到所述存储罐的顶部，所述存储罐的底部与待充装工质的高温热管连通；

所述透明室包括带有法兰接孔的透明上盖，带有热管进出孔的透明下盖以及透明室主体，在所述透明室主体的侧面开有手套进出孔和通气孔。

上述技术方案中，所述透明室还包括用于对所要充装的固态工质的质量进行称量的质量称量装置。

上述技术方案中，所述分支管中的一个或多个上还安装有用于调节所述分支管通断的工位阀。

上述技术方案中，所述存储罐包括内筒和外筒，所述内筒安放在所述外筒内；所述内筒的底端开口处包含有用于过滤的丝网。

上述技术方案中，所述抽气装置包括超高真空分子泵机组，所述调节阀包括球阀。

本发明还提供了一种采用所述的固态碱金属工质的定量充装设备实现定量充装的方法，包括：

步骤1)、将待充装工质的高温热管固定密封连通在所述存储罐的出口处；

步骤2)、将待充装的工质在充装有惰性气体的透明室内在惰性气体保护下安放到所述存储罐内，并实现与系统设备的密封连接；

步骤3)、关闭所述第一超高真空密封阀，打开所述第二超高真空密封阀，并启动所述超高真空分子泵机组，做抽真空操作；

步骤4)、加热所述存储罐以及高温热管，将固态的所述待充装工质熔化成液体；

步骤5)、关闭所述第二超高真空密封阀，打开所述第一超高真空密封阀，同时关闭所述球阀，使得惰性气体经由所述主管、分支管到达存储罐，对所述存储罐中的液体状的工质进行冲击以进入所要充装的高温热管中；

步骤6)、停止加热，待恢复常温后再次做抽真空操作；

步骤7)、钳断高温热管，焊接封口。

上述技术方案中，所述的步骤2)包括：

步骤2-1)、分离所述密封法兰的上法兰和下法兰，将带有下法兰的存储罐穿过法兰接孔进入所述透明室内；

步骤2-2)、将惰性气体通过所述的通气孔充入所述透明室以置换其中的空气；

步骤2-3)、将惰性气体通过所述的进气管经由所述主管充入分支管以置换空气；

步骤2-4)、工作人员经由所述的手套进出孔在所述透明室内将满足要求的工质安放到所述存储罐内；

步骤2-5)、将所述密封法兰的上下法兰相耦合并密封。

上述技术方案中，在所述的步骤2-4)中，工作人员利用质量称量装置对工质的质量进行精确称量。

上述技术方案中，还包括：

在将高温热管连接到系统前对其质量进行称量，然后在工质充装后再称量高温热管的质量，以计算充装入高温热管的工质的质量。

上述技术方案中，还包括：

将所述密封法兰打开，卸下存储罐，以喷雾的方式对存储罐中的残余物质加以清除。

本发明的优点在于：

1、本发明的定量充装设备能够同时对多根高温热管充装工质，具有较高的效率。

2、本发明的定量充装设备和方法能够保证被充装到高温热管中的工质的纯度。

3、本发明的定量充装设备能够很方便地实现对残余物质的清洗。

附图说明

图1为现有的蒸馏充钠设备的结构图；

图2为本发明的定量充装设备的结构图；

图3为本发明的定量充装设备中的存储罐的结构示意图；

图4为本发明的定量充装设备中的透明室的结构示意图；

图5为本发明的图2的设备与图4的透明室一同使用时相关示意图。

图面说明

101  钠罐                 102  钠阀        103  U形管

104  蒸馏罐               105  冷凝管      106  三通

107  排气管               108  热管        109  冷阱

110  真空机组             111  液面探针    201  待充装高温热管

202  接头                 203  第一存储罐  204  第二存储罐

205  第三存储罐           206  密封法兰    207  第一分支管

208  第一工位阀           209  第二工位阀  210  主管

211  第一超高真空密封阀   212  第二超高真空密封阀

213  球阀                 214  进气管      215  排气管

216  固定卡               217  超高真空分子泵机组

218  第二分支管           219  第三分支管  301  存储罐内筒

401  透明室               402  透明上盖    403  透明下盖

404  法兰接孔             405  热管进出孔  406  手套进出孔

407  通气孔               408  螺栓        501  调节支架

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明加以说明。

在图2中给出了本发明的定量充装设备的一种实现方式，利用该设备可将常温下的固态碱金属工质充装到高温热管中。下面以碱金属中常见的钠为例，对定量充装设备的结构以及如何利用该定量充装设备充装工质的过程进行说明。

在图2所示的实现方式中，定量充装设备有一根两头通透的主管210，在所述主管210的两侧分别安装有第一超高真空密封阀211和第二超高真空密封阀212。在所述第一超高真空密封阀211不与主管210相接的一侧连接有排气管215，在排气管215上分别安装有用于控制气体出入的球阀213、用于输入惰性气体的进气管214以及用于稳定管路的固定卡216。在所述第二超高真空密封阀212不与主管210相接的一侧连接有用于抽空气体的超高真空分子泵机组217。在所述主管210的侧面密封连接有多个分支管，所述分支管的数量与定量充装设备一次所能充装的高温热管的数量有关。在图2所示的实现方式中，定量充装设备需要为3根高温热管充装工质，因此所述的分支管有3根，分别为第一分支管207、第二分支管218、第三分支管219。但本领域技术人员应当了解，主管210上所能连接的分支管的数量并不局限于3根，可根据实际需要予以增减。所述分支管不与主管210连接的另一端通过密封法兰206连接到存储罐。所述存储罐的数量与分支管的数量相对应，包括第一存储罐203、第二存储罐204和第三存储罐205。在所述存储罐的底端通过接头202与待充装工质的高温热管201连接。

作为一种优选实现方式，图2中的第二分支管218和第三分支管219上分别有第一工位阀208和第二工位阀209。在所述第一工位阀208和第二工位阀209的作用下，所述定量充装设备可对一次充装过程中用于充装工质的高温热管的数量进行控制。例如，当同时关闭第一工位阀208和第二工位阀209后，图2所示的定量充装设备一次只能对一根高温热管做充装工质的操作，而只关闭第一工位阀208的话，该定量充装设备则能同时对两根高温热管做充装工质的操作。但本领域技术人员应当了解，还可以为定量充装设备中的所有分支管都安装所述的工位阀，或为定量充装设备中的所有分支管都不安装所述的工位阀，或为定量充装设备中的某些分支管安装工位阀。

在本发明中，所述存储罐用于存储固态的钠，并通过加热将钠充装到高温热管中。在图3中给出了所述存储罐的具体结构图。从图中可以看出，所述存储罐分内筒和外筒，存储罐内筒301为中空的柱状，在内筒301靠近高温热管201的底端开口处包含有用于过滤的丝网，在将钠充装到高温热管的过程中，钠由于氧化而生成的氧化钠会由于与钠的熔点不同而被该丝网过滤。存储罐内筒301可与所述存储罐外筒相分离，当充装结束后，将存储罐内筒301从存储罐中取出将很方便地实现对存储罐的清洗。

在将钠装入存储罐的过程中，单质形态的钠很容易被氧化，进而影响工质的纯度。为了克服这一问题，本发明的定量充装设备还需要透明室401。在图4中示出了透明室401的结构。如图所示，透明室401的顶端为带有法兰接孔404的透明上盖402，而透明室401的底端为带有热管进出孔405的透明下盖403。而在透明室401主体的侧面开有用于供人工操作的手套进出孔406和用于通入惰性气体的多个通气孔407。所述透明上盖402和透明下盖403通过螺栓408固定在透明室401的主体上。

采用所述透明室401将钠装入存储罐时，首先需要按照图2的说明将定量充装设备的各个部件进行组装，然后如图5所示，将所述的透明室401通过调节支架501安放在适当位置，将其中的密封法兰206的上法兰和下法兰分离，将带有下法兰的存储罐穿过法兰接孔404进入到所述透明室401，接着将所述存储罐穿过热管进出孔405，使得所述下法兰的底部与所述透明室401的透明下盖403的顶部相贴合。与分支管连接的密封法兰206的上法兰的外径略小于透明上盖402上的法兰接孔404的内径，在将钠装入存储罐之前，上法兰位于所述的法兰接孔404内，以避免下文中所提到的要充入所述透明室401的惰性气体从法兰接孔404大量漏出。在一种优选实现方式中，为了增加所述上法兰与所述法兰接孔404之间的密闭性，还可以在所述法兰接孔404的内径边缘处安装胶圈。在所述透明室401内可安放包括诸如天平的质量称量装置、密封盛钠的容器、镊子、切割刀在内的多种器械。当需要将钠装入存储罐时，需要通过所述的通气孔407将诸如氩气的惰性气体充入透明室401，以置换其中的空气。与此同时，还要通过进气管214经由主管210将诸如氩气的惰性气体充入分支管，以置换所述定量充装设备中的空气。在经过一定时间的空气置换后，工作人员穿戴橡胶手套经由手套进出孔406在透明室401内完成切割、称量、安放单质钠在内的多个操作，从而将一定量的钠安放到所述存储罐的内筒中。完成钠的安放后，将存储罐与高温热管抬起，使得密封法兰206的上下法兰相耦合并密封。在透明室401的帮助下，单质钠可以在不受氧化或较少氧化的前提下安放到存储罐中，保证了将要充装到高温热管中的钠的纯度。

在将钠装入存储罐中后，关闭第一超高真空密封阀211，打开第二超高真空密封阀212，并启动超高真空分子泵机组217，以对定量充装设备做抽真空操作，使得设备中的高温热管、存储罐等装置中的压强达到10^-3-10^-5Pa。在设备中的空气压强达到标准后，加热所述高温热管、接头与存储罐到250℃，使得其中的钠熔化成液体，然后将第二超高真空密封阀212关闭，打开第一超高真空密封阀211，同时关闭球阀213，使得诸如氩气的惰性气体经由主管210、分支管到达存储罐，对存储罐中的液体钠进行冲击，使得成液体状态的钠进入所要充装的高温热管中。在钠进入高温热管后，停止加热高温热管、接头和存储罐，待其恢复常温后，再次打开第二超高真空密封阀212和启动超高真空分子泵机组217，对定量充装设备做抽真空操作，使得热管中的气压达到10^-3-10^-5Pa后，钳断高温热管，焊接封口，从而得到所要的高温热管。为了准确确定充装入高温热管中的工质钠的质量，在一个实施例中，在将高温热管连接到系统前对其质量进行称量，然后在充装后再称量高温热管的质量，通过求两者的质量差得到充装如高温热管的工质钠的质量。

在得到高温热管后，还要将定量充装设备中的密封法兰206打开，卸下存储罐，以喷雾的方式对存储罐的内筒中的残余物质加以清除。这些后续清理工作在现有技术中已经有详细说明，因此不在这里重复描述。

本发明的定量充装设备在完成上述的固态碱金属工质的定量充装后，一般需要将定量充装设备的内部与外部空气隔绝。为了使得设备在下次工作时能够较快地达到设备工作所要求的真空度，在一种优选实现方式中还可以在整个设备中充入诸如氩气的惰性气体以形成一定的正压。采用该保存方法的定量充装设备需要在使用前先通过排气管215排出保存于其中的惰性气体，再进行后续的抽真空等操作。

在上述实现方式中，以钠为例，对如何利用本发明的定量充装设备将作为工质的钠充装到高温热管中进行说明。本领域的技术人员应当了解，本发明的定量充装设备同样可以将诸如锂、钾在内的常温下为固态的碱金属充装到高温热管中，只需根据相应工质的熔点调整熔化工质时所需加热的温度，保证工质完全熔化时温度略高，即可实现整个加热过程。

本发明的定量充装设备可以同时为多根高温热管同时充装工质，与现有的定量充装设备相比在效率上有很大的提高。

本发明的定量充装设备在将易氧化的工质充装到高温热管的过程中，采用惰性气体对工质进行保护，降低了工质被氧化的程度，从而保证了被充装到高温热管中的工质的纯度。

本发明的定量充装设备能够很方便地实现对残余物质的清洗。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种固态碱金属工质的定量充装设备，其特征在于，包括主管(210)、分支管、密封法兰(206)、存储罐、第一超高真空密封阀(211)、第二超高真空密封阀(212)、抽气装置、调节阀、进气管(214)、排气管(215)以及用于将所要充装的固态工质安放到所述存储罐内的透明室(401)；其中，

所述进气管(214)连通到安装有所述调节阀的排气管(215)上，所述排气管(215)经由所述第一超高真空密封阀(211)连接到所述主管(210)的一端，所述主管(210)的另一端通过所述第二超高真空密封阀(212)连接到超高真空分子泵机组(217)；所述主管(210)侧面开孔以与所述分支管的一端密封连通，所述分支管的另一端经由所述密封法兰(206)连通到所述存储罐的顶部，所述存储罐的底部与待充装工质的高温热管连通；

所述透明室(401)包括带有法兰接孔(404)的透明上盖(402)、带有热管进出孔(405)的透明下盖(403)以及透明室主体，在所述透明室主体的侧面开有手套进出孔(406)和通气孔(407)。

2.根据权利要求1所述的固态碱金属工质的定量充装设备，其特征在于，所述透明室(401)还包括用于对所要充装的固态工质的质量进行称量的质量称量装置。

3.根据权利要求1所述的固态碱金属工质的定量充装设备，其特征在于，所述分支管中的一个或多个上还安装有用于调节所述分支管通断的工位阀。

4.根据权利要求1或2所述的固态碱金属工质的定量充装设备，其特征在于，所述存储罐包括内筒和外筒，所述内筒安放在所述外筒内；所述内筒的底端开口处包含有用于过滤的丝网。

5.根据权利要求1或2所述的固态碱金属工质的定量充装设备，其特征在于，所述抽气装置包括超高真空分子泵机组(217)，所述调节阀包括球阀(213)。

6.一种采用权利要求1-5之一的固态碱金属工质的定量充装设备实现定量充装的方法，包括：

步骤1)、将待充装工质的高温热管固定密封连通在所述存储罐的出口处；

步骤2)、将待充装的工质在充装有惰性气体的透明室(401)内在惰性气体保护下安放到所述存储罐内，并将所述分支管经由所述密封法兰(206)连通到所述存储罐的顶部；

步骤3)、关闭所述第一超高真空密封阀(211)，打开所述第二超高真空密封阀(212)，并启动所述超高真空分子泵机组(217)，做抽真空操作；

步骤4)、加热所述存储罐以及高温热管，将固态的所述待充装的工质熔化成液体；

步骤5)、关闭所述第二超高真空密封阀(212)，打开所述第一超高真空密封阀(211)，同时关闭所述调节阀(213)，使得惰性气体经由所述主管(210)、分支管到达存储罐，对所述存储罐中的液体状的工质进行冲击以进入所要充装的高温热管中；

步骤6)、停止加热，待恢复常温后再次做抽真空操作；

步骤7)、钳断高温热管，焊接封口。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的步骤2)包括：

步骤2-1)、分离所述密封法兰的上法兰和下法兰，将带有下法兰的存储罐穿过法兰接孔(404)进入所述透明室(401)内；

步骤2-2)、将惰性气体通过所述的通气孔(407)充入所述透明室(401)以置换其中的空气；

步骤2-3)、将惰性气体通过所述的进气管(214)经由所述主管(210)充入分支管以置换空气；

步骤2-4)、工作人员经由所述的手套进出孔(406)在所述透明室(401)内将满足要求的工质安放到所述存储罐内；

步骤2-5)、将所述密封法兰(206)的上下法兰相耦合并密封。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述的步骤2-4)中，工作人员利用质量称量装置对工质的质量进行精确称量。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

在将高温热管连接到所述存储罐前对其质量进行称量，然后在工质充装后再称量高温热管的质量，以计算充装入高温热管的工质的质量。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

将所述密封法兰(206)打开，卸下存储罐，以喷雾的方式对存储罐中的残余物质加以清除。

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